基于單臺ABB機器人的厚板沖壓自動上下料系統的搭建

文/李明昕，路慧明，呂良，蘭明·一汽解放青島汽車有限公司

基于單臺ABB機器人的厚板沖壓自動上下料系統的搭建

文/李明昕，路慧明，呂良，蘭明·一汽解放青島汽車有限公司

以厚板沖壓生產現場現有的ABB機器人上料系統為基礎，為了降低工人的勞動強度，通過對機器人軌跡重新進行規劃和增加下料臺車，建立了單臺機器人單側上下料系統。利用Robotstudio軟件對整個厚板沖壓生產線進行離線模擬，驗證機器人的上下料功能，并通過優化機器人程序和運動軌跡，減少機器人上下料所需要的時間，保證生產效率，同時為實現厚板沖壓全自動化生產提供了數據和技術支持。

隨著“工業4.0”和《中國制造2025》戰略的提出，推進制造過程智能化，建設智能工廠、數字化車間，加快人機智能交互、工業機器人等技術和裝備在生產過程中的應用，將成為工業化的重要發展方向。目前，我國汽車制造業不斷的進行生產裝備的自動化、智能化升級改造，以確保新車型的換代頻率，并滿足消費者對車型個性化和高品質的追求。沖壓工藝作為汽車制造四大工藝之一，柔性化生產已經成為發展趨勢，越來越多的汽車生產廠商建設柔性化沖壓生產線。沖壓柔性化生產的代表設備就是工業機器人，工業機器人動作靈活，可靠性高，能夠建立起快速、精確的沖壓件輸送鏈，實現沖壓件傳送的柔性化和智能化。

商用車車架橫梁厚板沖壓件雖然沖壓工藝簡單（一般需要2～3道沖壓工序），但是厚板件板料質量較大，人工搬運費時費力，工人勞動強度非常大。為減少工人的勞動強度，我廠沖壓厚板生產線采用ABB IRB6640型機器人進行輔助上料。雖然可以實現自動上料，但是下料仍然需要人工將板料從模具中取出再碼垛，對于尺寸和質量比較大的板料，工人的勞動負擔仍然比較大。

為了解決上述問題，本文將以現在的厚板沖壓生產線為基礎，使用單臺ABB機器人搭建自動化上下料系統，并對機器人自動化上下料系統進行仿真模擬和實際生產試驗，為沖壓厚板線的自動化生產提供數據和技術支持。

現有機器人上料系統

目前，我廠現有的機器人上料系統由5部分組成：ABB機器人、上料臺車、電磁鐵端拾器和電氣控制系統。厚板沖壓生產采用機器人上料、人工下料的生產方式，生產流程如圖1所示。

通過流程圖可以看出，現有的厚板沖壓生產線可以實現半自動生產，仍然需要人工將板料從模具中取出進行碼放。工人在碼放制件時，需要將身子探到壓力機內將板料取出，然后需要彎腰將制件放在料架上。從人機工程的角度分析，需要避免不自然的身體姿態、費力的身體移動、高的體力消耗和負重作業。考慮到人的效能和需求，我們通過使用機器人進行下料來實現人機工程，創造操作人員、壓力機、機器人和沖壓件的最佳共同效應，即降低工人的勞動強度，同時保證生產效率。根據生產實際情況和資源，我們搭建了基于單臺ABB機器人的上下料系統。

圖1 厚板沖壓生產流程示意圖

機器人自動上下料系統的組成

機器人上下料系統的技術要求

機器人上下料系統必須考慮生產現場的實際情況，并且必須滿足實際生產要求，因此我們搭建的機器人上下料系統必須滿足以下技術要求。

⑴利用一臺ABB IRB6640機器人實現上料和下料。

⑵合理布局，有效利用生產現場的空間。

⑶機器人碼垛完成的沖壓件能夠便利運送出生產區域。

⑷目前只滿足在切邊沖孔、沖孔工序實現自動上下料。

⑸滿足生產節拍，2.5次/分鐘，單班生產達到750沖次。

機器人自動上下料系統硬件搭建

鑒于以上技術要求，為了減少投資和改造工程量，并且充分利用現有的生產資源，機器人上下料系統只是在現有基礎上增加一臺下料臺車，如圖2所示。機器人將制件從模具內取出后，碼放在下料臺車上，然后通過下料臺車將碼放好的制件運出工作區域。

圖2 機器人上下料系統現場布置示意圖及生產流程示意圖

通過機器人上下料的工作流程可以看出，相比于機器人上料，機器人上下料系統的整個工作過程增加了機器人再次進入模具抓取制件、機器人碼放制件和通過下料臺車將垛料輸送出工作區域3個過程。由于增加了3個過程，機器人上下料生產必然會增加生產時間，相應的生產節拍也勢必降低。如何保證生產效率將會是搭建機器人自動上下料系統的重點和難點。

機器人上下料程序的調試

確定機器人上下料系統的硬件基礎之后，就需要對機器人上料程序進行修改，使機器人能夠完成下料動作。

機器人上下料程序

相比于現在的ABB機器人運動軌跡，我們增加了運動軌跡點，實現機器人將制件取出并碼放的動作。在機器人程序中，增加以下語句來控制機器人完成下料工作。

MoveL pBeforeLoad,v7000,z50,tool1;

MoveL pPickagain,v2000,fine,tool1;

MoveJ pAfterLoad,v7000,z50,tool1;

MoveL pDrop,v5000,fine,tool1;

MoveL PafterDrop,v7000,z50,tool1;

同時，我們使用下面的語句來實現機器人將制件逐個進行碼放。

MoveL offs(pDrop,0,0,Drop_pos),v5000,fine, tool1;

在生產現場，我們對自動上下料程序進行調試，機器人程序正常，可以順利的將制件從模具內取出然后碼放。同時，我們對機器人上下料程序進行了實際生產驗證，通過對上下料生產進行計時，得到機器人完成一次上下料需要32s，這達不到我們的要求（2.5次/分鐘）。因此，需要提升機器人上下料的效率。

機器人上下料效率提升

⑴增加速度和優化軌跡提高效率。

我們首先采用最直接的辦法，即對每個軌跡點的速度、加速度以及速度的百分比進行了修改，提高每個軌跡點的運行速度。另外，我們通過修改程序，使得機器人只在第一次上下料時經過Home點，連續工作后不需要再經過Home點，這樣可以減少運動軌跡點。優化前后，機器人軌跡如圖3所示。

圖3 機器人運行軌跡優化前后對比圖

我們通過Robotstudio軟件建立了沖壓厚板壓力機生產線的三維模型，并對優化前后機器人的程序進行模擬，優化前后的速度—時間曲線對比圖，如圖4所示。優化后總體速度有所增加，最高可達到5210.76 mm/s，通過模擬計算優化后50次上下料的平均時間為26.672s/次，優化前的平均時間為28.413s/次。模擬時間與實際生產時間不同，主要是因為壓力機由人進行操作，而且機器人進入壓力機內放料和取料都是通過人工發出指令實現的，模擬時并沒有將這些因素計算在內。

為了觀察提高速度對機器人關節軸的影響，我們對機器人完成一個循環過程中的每個關節角位移進行了監測，結果如圖4所示。從關節角位移曲線圖可以看出，機器人在整個軌跡運動過程中，各關節角度變化平穩，無劇烈振動跡象，并且各個關節角的運動范圍始終在機器人設定的可允許范圍內。其中，關節6角度變化范圍比較大，這是因為在上料過程中端拾器需要旋轉180°，這也與實際情況相符。

通過提高軌跡點運行速度，發現節省時間只有1s左右，并不能大幅度的提高效率，所以需要采取其他措施。

⑵優化程序提高效率。

通過對機器人程序的分析，我們發現機器人在每次抓料或者放料時，都需要2s的時間，這2s時間包括對端拾器電磁鐵發射充磁或者消磁脈沖信號0.5s，還有電磁鐵將板料抓起或者放下時的等待時間1.5s。由于整個上下料過程需要2次抓料和2次放料，這就需要8s的時間，大約占總時間的25%。如果這部分時間可以節約，那上下料時間可以有較大程度的縮短。

為了減少充磁、消磁以及等待時間，我們設計機器人在達到抓料點或者放料點之前就發出脈沖信號，使得端拾器的電磁鐵已經充磁或者消磁完畢，從而減少這部分時間。

我們利用ABB機器人程序中TriggIO、TriggL兩個命令編寫程序語句，控制機器人在達到抓料點或者放料點之前的0.5s就發出充磁或者去磁脈沖信號。在修改ABB機器人程序完成后，為了檢驗程序的正確性和可靠性，我們通過Robotstudio軟件對程序進行了模擬，在模擬過程中機器人可以順利完成上下料動作，而且機器人完成50次上下料的平均時間約為22.724s/次。我們對程序進行了實際生產驗證，在確保成功率為100%的前提下，只對抓料點、放料點和再次放料點進行提前充、放磁，實際完成一次上下料循環的時間為25s，生產節拍為2.4次/分鐘，基本達到技術要求。

⑶增加緩存平臺提高效率。

通過對機器人上下料的整個過程進行研究對比發現，在整個上下料的過程中，機器人有一段停止等待時間，即壓力機運行時，機器人在壓力機工作區域外等待大概8s的時間，如圖3所示。如果能夠將此段機器人的等待時間變為機器人的工作時間，那么可以減少一部分時間，提高生產節拍。

為此，我們設計了一個緩存平臺，通過增加緩存平臺，將機器人的運動軌跡變為如圖5所示。當機器人連續工作時，機器人的運動軌跡封閉在上料小車、緩存平臺、模具、下料小車之間的循環之內，將壓力機完成動作的8s完全利用起來。而且在壓力機動作的過程中，機器人就已經將板料放到緩存平臺上。這樣整個上下料過程就可以簡化為：機器人抓取緩存平臺上的板料→機器人將板料放入模具內→機器人從壓機內取出板料→機器人將板料放在下料小車上，這種簡單的循環過程。

我們對機器人的運動軌跡進行了模擬，如圖6所示。相對于圖4，機器人的速度變換更加頻繁，這主要是由于機器人的軌跡點增加導致的，但是機器人速度為0的時間明顯減少，機器人的利用率提高。通過模擬，計算機器人完成50次上下料循環的平均時間為20.638s/次，生產節拍進一步得到提高。

機器人自動上下料系統的實際生產驗證

我們成功搭建了機器人上下料系統，如圖7所示，整個機器人上下料系統由ABB機器人、上料臺車、下料臺車、緩存平臺、電磁鐵端拾器和電氣控制系統組成。在上料系統的基礎上只是增加了下料臺車和緩存平臺兩個簡單的工裝，實現了機器人自動上下料。機器人自動上下料系統有效的利用了現有的生產現場，同時投入較少的資金，并且滿足生產技術的要求。

圖5 緩存平臺位置及機器人運動軌跡示意圖

圖6 增加緩存平臺后機器人速度-時間曲線

圖7 單臺ABB機器人上下料系統現場布置圖

我們對機器人自動上下料系統進行生產驗證，機器人上下料程序成功運行，并且成功率為100%。通過對實際生產過程進行計時，實際生產節拍約為22s/次。

表1通過各種優化方案，機器人的上下料時間最終控制在22s，生產節拍也達到了2.7次/分鐘，單班生產就可達到900沖次，完全滿足生產要求。

本文根據實際生產現場工況要求和基本條件完成了單臺ABB機器人上下料系統的搭建，完成各種工裝的設計和機器人上下料程序的編制。同時，通過建立厚板沖壓生產線的三維模型和對整個生產線的計算機模擬，積累了相關經驗和數據。

表1 各種方案生產節拍

通過各種方案的編制和實施，不斷的提高機器人上下料的生產節拍，最終將生產節拍提高到2.7次/分鐘。最終，單臺ABB機器人上下料系統可以滿足生產要求，同時可以大大降低工人的勞動強度，為厚板沖壓自動化生產奠定了基礎。